采用碳化硅器件的高效率光伏逆变器研究_潘三博
第33卷 第4期 2011-4(下) 【131】
收稿日期：2010-12-05
基金项目：河南省科技厅科技发展计划项目（102102210212）
作者简介：潘三博（1974－），男，湖北孝感人，博士后，研究方向为电力电子技术及其应用。
0 引言
随着能源的枯竭与应对温室效益的需要，光伏等可再生能源的应用日趋重要。为更加高效地利用新能源，光伏逆变器的技术发展趋势是提高效率，减小体积与重量，提高可靠性。而碳化硅半导体器件具有禁带宽、耐压高、通态电阻低、漏电流小、开关速度高、电流密度高、耐高温等优点，这决定了它在高可靠性、高频率、高效率的应用场合是理想的下一代电力电子器件[1]。近年来，国内外对碳化硅结型场效应功率晶体管在光伏逆变器的应用开展了探索性的研究[2]。
本文首先讨论了碳化硅结型场效应功率器件驱动电路特性与驱动波形。然后对碳化硅光伏逆变器的损耗进行了理论分析与计算，最后通过样机实验测试，对比了分别采用碳化硅新型器件与常规的硅IGBT 模块的光伏逆变器的效率。结果验证了采用碳化硅器件的光伏逆变器能有效提高逆变器的效率，并且提高开关频率，这对于发展体积小、重量轻、效率高的下一代光伏逆变器具有积极的影响。
1 器件的工作特性和效率分析
图1为光伏逆变器主电路，其中开关器件J1～J6均采用碳化硅结型场效应功率晶体管。光伏逆变器的一个重要指标就是效率，逆变器的损耗主要分为导通损耗、关断损耗与开关损耗。碳化硅新型器件的漏电流较小，器件的关断损耗通
常可以忽略，一般只分析导通损耗与开关损耗。下面从碳化硅器件的使用及逆变器损耗方面进行研究。
1.1 碳化硅器件的工作特性
图1 采用碳化硅器件的光伏逆变器主电路图
图2为碳化硅结型场效应功率晶体管的驱动电路简图。碳化硅结型场效应是“常通”型器件[3]，即，不加栅极电压时，器件是开通状态， 栅极加负压才能使得器件关断，这就需要一个电平转换电路，把从控制器来的控制信号5V 高电平信号转化为0V，来开通碳化硅结型场效应功率晶体管。把从控制器来的0V 低电平信号转化为-24V，来有效关断碳化硅结型场效应功率晶体管。同时，因为碳化硅器件的开关速度很快，达到40kv/μs，所以要用高速光耦作为隔离元件。为快速驱动器件的开通与关断，采用了图2中T r1与T r2的图腾柱输出，使器件最大驱动电流能力达到6A。选择合适的输出阻抗可以减小器件高速开关所带来的震
采用碳化硅器件的高效率光伏逆变器研究
Research of high ef ? ciency solar inverter using SiC devices
潘三博，郝夏斐
PAN San-bo, HAO Xia-fei
（安阳师范学院，安阳 455002）
摘 要： 采用新型碳化硅结型场效应功率晶体管的光伏逆变器与采用硅IGBT模块的传统光伏逆变器相
比，具有开关频率高、体积小、效率高的特点。本文对桥式碳化硅模块的驱动，以及以碳化硅器件组成的单相光伏逆变器的开关特性、开关损耗以及效率进行了理论分析与实验研究。通过实验样机的测试，验证了方案的有效性与优越性。
关键词： 碳化硅；结型场效应晶体管；光伏；逆变器
中图分类号：TN615 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2011)4(下)-0131-03Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).38
【132】 第33卷 第4期 2011-4(下)
荡。图3为在时间轴上放大后的器件驱动电压波形，实际上整个过称只数十纳秒。器件在关断时，驱动电压为较大的负压，开通时，V gs 上升，其中图中t 1到t 2时刻为米勒效应时间。大的驱动电流能有效减少米勒效应时间，提高开关速度。过了米勒区，电压很快上升到器件的开通电压。
图2 碳化硅功率晶体管驱动电路简图
图3 碳化硅器件驱动电压波形
1.2 导通损耗
图4为逆变器的输出电压，电流相位图。其中，α是电流的相位角。θ是电压，电流的相位差。
图4 输出电压、电流波形图
设m 是调制比，I M 为电流幅值，R s(on) 、R d(on)
分别为开关管、二极管通态压降，对于高频光伏逆变器等调制波与载波比较大的PWM 波形来说，开关管与反并联二极管的占空比D s 、D d 分别为：
（1）
任意α角度时，开关管与二极管的导通损耗分别为：
（2）
式（2）中，开关器件与二极管的导通压降分别为：
（3）
因为每个器件的平均导通时间是开关周期的一半，所以器件的平均功率为：
（4）
由（2）-（4）得，光伏逆变器中，碳化硅结型场效应功率晶体管与二极管的导通损耗分别为：
（5）
1.3 开关损耗
因为碳化硅器件几乎没有反向恢复的电荷存储效应，因此，几乎没有反向恢复电流，也没有由反向恢复电流引起的在开关管中的导通损耗。而硅开关器件则有这部分损耗。为方便计算损耗，假设电流与电压在开关过程中都是线性变化的，则一次关断损耗的能量E off 为：
（6）
整个周期中，平均关断损耗[4]为：
（7）同理，可以得出一次开通所需的能量E on 为：
（8）
整个周期中，平均开通损耗为：
（9）1.4 损耗对比分析
把碳化硅模块以及第5代IGBT 模块的参数[4]
代入（5）、（7）、（9）可以得到在不同的开关频率时，
各开关器件的开关管导通损耗（P Scond ）
、二极管导通损耗（P Dcond ）
、开关管开通损耗（P S on ）、开关管关断损耗（P S off ）
、反向恢复损耗（P D rr ）的损耗对Dr1
Roff
Vp
Vss
g
Tr1
Tr2GND
R1C1
Ron/Roff
s t
t 3
t 2
t 1
t 0
V GS
V 2V 1
0V I=I M sin α V=V M sin(α+θ)
θ
α
第33卷 第4期 2011-4(下) 【133】
比如表1所示。
表1 碳化硅与硅器件的损耗对比
损耗（W）开关频率20kHz 开关频率50 kHz 碳化硅硅IGBT 碳化硅硅IGBT P Scond 2.110.5 2.110.5P Dcond 1.37.3 1.37.3P S on 0.5 1.2 1.253P S off 3.110.17.725.25P D rr
2.2
5.5
2 实验研究
图5为采用碳化硅器件的光伏逆变器实验样机。样机参数：直流电压540-600V 可调，三相交流输出线电压380V，工频50Hz， 输出功率从0到1千瓦。选取4组双路输出的隔离电源作为碳化硅器件的驱动电源，光伏逆变器的控制采用TMS320F2812处理器，该器件强大的定点计算能力与丰富的电力电子外设能很好地满足实施控制与应用的需要。
图5 实验样机图
图6 实验驱动与输出电压波形
从图6中DSP 控制信号与器件的驱动波形可以看出，驱动电路完成了高速的逻辑电平转换。从输出波形可以看出，光伏逆变器输出电压为标准的工频正弦波。图7为采用碳化硅器件与第五代硅IGBT 模块的光伏逆变器在不同开关频率与不同功率输出时的效率对比实验数据图。从图中可以看出，随着开关频率的提高，碳化硅光伏逆变
器效率的提升越来越明显。30kHz 时，碳化硅光伏逆变器效率比硅器件要提高3%以上。
3 结论
本文通过分析碳化硅结型场效应功率晶体管的工作特性，提出了解决高速开关以及隔离型带电平转换的驱动电路。对光伏逆变器的导通损耗、开通损耗和关断损耗进行了理论分析，用碳化硅器件光伏逆变器样机与常规硅器件光伏逆变器样机进行了实验对比。实验结果表明碳化硅器件光伏逆变器比常规硅器件光伏逆变器效率高，在30KHz 时，能提高3%以上，验证了碳化硅光伏逆变器的在高频化与高效率方面的优势。高频化将实现碳化硅光伏逆变器的体积小、重量轻、易于安装，高效率使得光伏发电装置整个效率升高，节约了资源。同最近德国Fraunhofer 太阳能研究所宣布的吻合，碳化硅光伏逆变器将在可再生能
源的应用中具有良好的前景。
参考文献：
[1] P. Friedrichs. Silicon Carbide power devices - status and
upcoming challenges[C]. Proc. European Conference on Power Electronics and Applications, 2007: 1–11.[2] T. Friedli, S. Round, J.W. Kolar. Design and Performance
of a 200-kHz All-SiC JFET Current DC-Link Back-to-Back Converter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(5): 1868-1878.[3] Sanbo Pan, Chris Mi, Tim Lin. Design and Testing of
Silicon Carbide JFETs Based Inverter[C]. IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2009: 2556-2560. [4] 潘三博, 潘俊民. 一种新型的零电压谐振极型逆变器[J].
中国电机工程学报. 2006, 26(24): 55-59.
0.82
0.850.880.910.940.971P(W)
??10kHz SiC 20kHz SiC 30kHz SiC 10kHz Si 20kHz Si 30kHz Si
图7 实验效率对比图
最新高效率光伏逆变器拓扑结构及功率器件介绍
最新高效率光伏逆变器拓扑结构及功率器件介绍 摘要摘要：：效率正成为电力电子装置设计中越来越重要的参数。在某些应用中，效率甚至成为行业发展的驱动力，典型的如太阳能发电行业。因为对于光伏发电行业，效率的提升可以直接带来经济效益。本文详细介绍了最新的能够提供高效率的光伏逆变器拓扑结构和功率器件，包括单相和三相逆变器，功率因数补偿对策，高效电流双向流动逆变器等。 高效光伏逆变器设计高效光伏逆变器设计 – 背景和现状背景和现状 对于传统电力电子装置的设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。因为对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分（图1）。 图 1: 欧洲效率计算比重 因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率。欧效的改善所带来的经济效益也很容易通过计算得到。例如以一个额定功率 3kw 的光伏逆变器为例，根据现在市场上的成本估算，光伏发电每千瓦安装成本大约需要 4000 欧元[2]，那也就意味着光伏
逆变器每提高欧效 1%就可以节省 120 欧元。提高光伏逆变器的欧洲效率带来的经济效益是显而易见的，“不惜成本”追求更高的欧效也成为现在光伏逆变器发展的趋势。 功率器件的选型 功率器件的选型 在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素，IGBT 是最多被使用的器件。因为 IGBT 导通压降的非线性特性使得 IGBT 的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言，IGBT 的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时，IGBT 的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反，MOSFET 的导通压降是线性的，在轻载情况下具有更低的导通压降，而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力，MOSFET 成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提 高欧效后的巨大经济回报，最新的比较昂贵的器件，如 SiC 二极管，也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中，SiC 肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗，降低电磁干扰。 光伏逆变器的设计目标 光伏逆变器的设计目标 对于无变压器式光伏逆变器，它的主要设计目标为： 对太阳能电池输入电压进行最大功率点跟 踪，从而得到最大的输入功率 追求光伏逆变器最大欧效 低的电磁干扰
基于DSP的单向光伏离网逆变器的设计
本科毕业论文（设计、创作）题目：基于DSP的单向光伏离网逆变器的设计 学生姓名：学号：103402035 所在系院：专业：电子信息工程入学时间：2010年9月导师姓名：职称/学位：副教授/硕士 导师所在单位： 完成时间：2014年5月安徽三联学院教务处制
基于DSP的单向光伏离网逆变器的设计 摘要：随着石油化工资源的枯竭、生态环境的日趋恶化和人类可持续发展的需要，一种低碳环保的绿色能源太阳能引起了众多人群的关注，并且成为现代能源领域发展预期最好的新能源。以TMS320F2812DSP为核心控制芯片，Infineon公司型号为IGP50N6OT的IGBT(50A,60OV)作为开关器件,以IR公司的IR2llO作为驱动芯片的离网光伏发电系统，可以更好地解决偏远地区供电中出现的种种问题。设计分析了各种光伏发电系统在应用方面的优、缺点。比较了光伏发电逆变器三种重要的拓扑结构，给出了系统总体框图及分电路原理,并实现了仿真测验。 关键词：光伏发电；离网逆变器；DSP
Research on Single-phase Off-grid Inverter of Photovoltaic Power based on DSP Abstract:With the exhausted of traditional energy sources,the worsening of the ecological environment and human requirements of sustainable development,solar energy as an ideal green energy has caused more and more attention,to become the world's most promising new energy technology.TMS32OF2812 DSP,a high–performance digital signal processing chip,is used to controlling the core in our researeh.IGP50N60model of infien on corporation is selected as switching device.The single-Phase off-grid PV inverter is researched.can better solve the problems in the remote area power supply.Design of photo voltaic power generation system are analyzed advantages and disadvantages in the https://www.360docs.net/doc/7217413605.html,parison of the photovoltaic inverter topology structure of three important,gives the system block diagram and circuit principle,and realizes the simulation test. Keywords:PV;Off-grid inverter;DSP
双E类逆变器拓扑电路仿真研究
摘要 本科毕业设计（论文） （双E类逆变器拓扑电路仿真研究） *** 燕山大学 2012年6月
摘要 感应加热电源是利用电涡流对工件加热的一种装置，由于具有诸多优点而在工业中得到了广泛的应用。目前，国内中频电源已经非常成熟，高频电源在频率、容量等方面还有待提高。因此本文针对高频电源进行了理论分析和研究。 文中首先介绍了感应加热电源的工作原理并讲述了国内外的研究现状。接下来分析了E类逆变器的工作原理和双E类逆变器的工作原理，以及工作在最佳状态下MOSFET的电流电压波形，为接下来设计双E类逆变器做了准备。然后分析了谐振电路、E类逆变器的谐振频率等，设计计算了双E 逆变器电路的参数。根据双E类逆变器的原理，为使其工作在最佳状态，设计了闭环控制电路。最后用pspice仿真，验证设计方案的可行性。 关键词感应加热；MOSFET；E类逆变器；pspice
Abstract Abstract Power supply for induction heating is an equipment to heat the work piece by whirling current and it is applied widely in industry because of its many virtues. Now, intermediate frequency power supply is perfect, but high frequency power supply has defects in the aspects of frequency and capacity and so on. So high frequency power supply is developed in this thesis. Firstly, operation principle of induction heating is introduced and the actuality of the power supply for induction heating is summarized. Then analysis the operation principle of class-E inverter, double class-E inverter. and the MOSFET current and voltage waveforms in the best condition, which is preparation for design double class-e inverter next. Moreover series resonant inverter is selected as inverter circuit and explain the resonant frequency of class-E and double class-E via analysis. In order to simulation the circuit, the inverter circuit parameters are designed and calculated. According to the principle of double class-E inverter, in order to make it work in the best condition ,design closed-loop control circuit. Finally using pspice simulation to verify the feasibility of the design. Keywords induction heating; MOSFET; class-E inverter; pspice
业界技术发展趋势逆变器拓扑结构发展趋势
业界技术发展趋势——逆变器拓扑结构发展趋势 1 光伏并网逆变器拓扑结构发展趋势 在光伏并网发电系统中，逆变器作为光伏阵列与电网的接口设备，其拓扑结构决定着整个系统的效率和成本，是影响系统经济可靠运行的关键因素．由于光伏并网逆变器的结构拓扑种类众多、性能特点各异，其原理分析和性能比较，对于拓扑结构的合理选择、提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义． 五种常见拓扑结构类型 目前，市场上常见的逆变器拓扑结构按照频率及有无变压器分，可简单分为以下五种类型： （1）直接逆变型 优点：没有工频变压器，重量轻，效率高（>97%），结构简单，成本低。 缺点：交、直流之间无电气隔离，太阳能电池板两极有电网电压，对人体安全不利；MPPT直流输入电压，即太阳能电池板输出电压要大于350V，提高了系统的绝缘要求，容易出现漏电现象。 （2）工频隔离型
优点：工频变压器隔离，安全性能良好；结构简单，可靠性高，抗冲击性能好；直流侧MPPT输入电压一般在200V~800V。 缺点：系统效率低，笨重。 （3）高频隔离型 优点：高频电气隔离，重量轻，效率在93%左右。 缺点：由于高频隔离环节（DC-AC-DC）功率等级较小，此结构适合于5kW以下机型；EMC设计难度高；系统抗冲击性差。 （4）高频升压不隔离型 优点：效率高，重量轻，太阳能电池直流输入范围宽（150V~500V）。 缺点：无电气隔离，太阳能电池板两极有电网电压，对人体安全不利；EMC设计难度高。
（5）多MPPT单逆变型 优点：效率高，重量轻，太阳能电池直流输入范围宽（150V~500V）；多路MPPT输入，适用于更多场合。缺点：无电气隔离，太阳能电池板两极有电网电压，对人体安全不利；EMC设计难度高。 逆变器厂家采用的拓扑结构
5kWp光伏太阳能离网发电系统设计方案
5kWp光伏太阳能离网发电系统 设 计 方 案
目录 一、光伏太阳能离网发电系统简介 (2) 二、项目地参数 (2) 三、相关规范和标准 (5) 四、系统组成与原理 (6) 五、设计过程 (8) 1、方案简介 (8) 2、用户信息 (8) 3、蓄电池设计选型 (8) 4、组件设计选型 (12) 5、离网逆变器设计选型 (16) 6、控制器设计选型 (18) 7、交直流断路器 (21) 8、电缆设计选型 (23) 9、方阵支架 (23) 10、配电室设计 (23) 11、接地及防雷 (23) 12、数据采集检测系统 (24) 六、仿真软件模拟设计 (25) 七、设备配置清单及详细参数 (31) 八、系统建设及施工 (31) 九、系统安装及调试 (32) 十、工程预算投资分析报告 (36) 十二、运行及维护注意事项 (38) 十三、设计图纸 (41)
5kWp光伏太阳能离网发电系统配置方案 一、光伏太阳能离网发电系统简介 独立光伏电站是独立光伏系统中规模较大的应用。它的主要特点就是集中供电，如在一个十几户的村庄就可建立光伏电站来利用太阳能，当然这是在该村庄地理位置较偏远，无法直接利用电力公司电能的情况下，所能用到的方法。用这种方式供电便于统一管理和维护。而户用系统是采用分散供电的方式提供电能，如果要在该村庄安装户用光伏系统，这样每一户都得需这么一套光伏系统，它比起独立光伏电站来，所需的元器件规格要小，控制器、逆变器和蓄电池及负载都比较小，但是独立光伏电站和户用光伏系统基本结构是完全一致的。 太阳能光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic——BIPV）是应用太阳能发电 的一种新形式，简单的讲就是将太阳能发电系统和建筑的围护结构外表面如建筑幕墙、屋顶等有机的结合成一个整体结构，不但具有围护结构的功能，同时又能产生电能供本建筑及周围用电负载使用。还可通过建筑物输电线路离网发电，向电网提供电能。太阳能光伏方阵与建筑的结合由于不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而备受关注。 二、项目地参数 图片来自Google地球 1、项目地点：江苏省泰州市XX区XX镇； 2、经度：120°12’ ，纬度：32°23’； 3、平均海拔高度：7m；
单相桥式光伏逆变器拓扑结构的比较与仿真
……………………. ………………. …………………山东农业大学毕业论文 单相桥式光伏逆变器拓扑结构的比较与仿真装 订 线
……………….……. …………. …………. ………院部机械与电子工程学院专业班级电气工程及其自动化3班 届次20**届 学生姓名张前进 学号 指导教师 二О一五年六月一日 二О一一年六月十日
摘要................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................... II 1绪论.. (1) 1.1 课题背景与意义 (1) 1.2 光伏发电简介 (2) 1.3 本文研究的主要内容 (3) 2 逆变器及其分类 (3) 2.1 逆变器简介 (3) 2.2 逆变器的分类 (3) 2.2.1 依据直流侧直流电源的性质 (3) 2.2.2 根据输出交流电压的性质 (4) 2.2.3 根据逆变主电路的结构 (4) 2.2.4 根据开关器件及其关断方式的不同 (4) 2.3 独立光伏逆变器 (4) 2.4 并网光伏系统逆变器 (5) 3 光伏并网逆变器的设计要求 (5) 3.1 逆变原理 (6) 3.2 隔离型光伏并网逆变器 (6) 3.2.1 隔离型光伏并网逆变器的特点 (6) 3.2.2 隔离型光伏逆变器的拓扑结构 (7) 3.3 非隔离型光伏并网逆变器 (8) 3.3.1 非隔离型光伏并网逆变器的优缺点 (8) 3.3.2 非隔离型光伏并网逆变器的典型拓扑结构 (8) 4 仿真分析 (9) 5 总结与展望 (16) 参考文献 (17) 致谢 (18)
光伏离网逆变器并机典型设计
光伏离网逆变器并机典型设计GrOWan古湍巨特 TOP3 全球单相逆变器 IlIIl 在一些无电地区，安装光伏离网储能系统，比采用油机发电，更经济和环保。相对于 并网系统，离网系统较为复杂，需考虑用户的负载、用电量、当地的天气情况，特别 是负载情况多样化，有像水泵类的感性负载、也有像电炉类的阻性负载，有单相，也 有三相。对于大于IOkW 的光伏离网系统，可以采用单机或者多机并联的方式，但各 有其优缺点。 本文主要介绍采用多台离网逆变器搭建的中大功率光伏离网系统设计方法。 古瑞瓦特离网控制逆变一体SPF5000TL HVM 机型，最多支持6台并机，可以搭建 30kW以内的光伏离网系统。既可组成30kW的单相系统，还可组成30kW的三相系统。考虑到三相负载不一定均衡，6台逆变器组成三相系统时，还有多种配置方法，如222、321、411等，可以应对不同场景的用户需要。下表是一个用户的实际负载
情况和用电情况。 这个系统较特殊，有单相负载与三相负载两种，且三相不平衡。我们根据负载的分布， 先进行逆变器选型设计，系统总负载功率是24kW ,用户表示，不会所有的负载都同 时运行，最大功率在20kW 左右，因此设计采用6台5kW 单相离网逆变器，A相用 3台共15kW，B相用2台共IOkW，C相用1台共5kW，构成一个30kW 三相不平衡的离网系统。单相逆变器输出有两根线：相线和零线，6台逆变器的零线全接在 一起，3台逆变器的相线接在A相，2台逆变器的相线接在B相，1台逆变器的相线 接在C相。 多台逆变器并联，每台机还需连接通信线，A相的3台机均流线接在一起，B相的2 台机均流线接在一起，连接完线，再接上蓄电池，关闭输出断路器，在面板上设置逆 变器的相位，SPF5000进入设置第23项，A相的3台机设为3P1，B相的2台机设为3P2，C相的1台机设为3P3 ,设置完成，便可运行。
太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方法
2015年6月15日 22:28 太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方 摘要：太阳能光伏发电是21世纪最为热门的能源技术领域之一，是解决人类能源危机的重要手段之一，引起人们的广泛关注。本文介绍了太阳能光伏并网控制逆变器的工作过程，分析了太阳能控制器最大功率跟踪原理，太阳能光伏逆变器的并网原理及主要控制方式。 1引言： 随着工业文明的不断发展，我们对于能源的需求越来越多。传统的化石能源已经不可能满足要求，为了避免面对能源枯竭的困境，寻找优质的替代能源成为人们关注的热点问题。可再生能源如水能、风能、太阳能、潮汐能以及生物质能等能源形式不断映入人们的眼帘。水利发电作为最早应用的可再生能源发电形式得到了广泛使用，但也有人就其的环境问题、安全问题提出过质疑，况且目前的水能开发程度较高，继续开发存在一定的困难。风能的利用近些年来也是热点问题，但风力发电存在稳定性不高、噪音大等缺点，大规模并网对电网会形成一定冲击，如何有效控制风能的开发和利用仍是学术界关注的热点。在剩下的可再生能源形式当中，太阳能发电技术是最有利用价值的能源形式之一。太阳能储量丰富，每秒钟太阳要向地球输送相当于210亿桶石油的能量，相当于全球一天消耗的能量。我国的太阳能资源也十分丰富，除了贵州高原部分地区外，中国大部分地域都是太阳能资源丰富地区，目前的太阳能利用率还不到1/1000。因此在我国大力开发太阳能潜力巨大。 太阳能的利用分为"光热"和"光伏"两种，其中光热式热水器在我国应用广泛。光伏是将光能转化为电能的发电形式，起源于100多年前的"光生伏打现象"。太阳能的利用目前更多的是指光伏发电技术。光伏发电技术根据负载的不同分为离网型和并网型两种，早期的光伏发电技术受制于太阳能电池组件成本因素，主要以小功率离网型为主，满足边远地区无电网居民用电问题。随着光伏组件成本的下降，光伏发电的成本不断下降，预计到2013年安装成本可降至1.5美元/Wp，电价成本为6美分/(kWh)，光伏并网已经成为可能。并网型光伏系统逐步成为主流。 本文主要介绍并网型光伏发电系统的系统组成和主要部件的工作原理。 2并网型光伏系统结构 图1所示为并网型光伏系统的结构。并网型光伏系统包括两大主要部分： 其一，太阳能电池组件。将太阳传送到地球上的光能转化成直流电能；其二，太阳能控制逆变器及并网成套设备，负责将电池板输出直流电能转为电网可接受的交流能量。根据功率的不同太阳能逆变器的输出形式可为单相或者三相；可带隔离变压器，也可不配隔离变压器。
光伏逆变器拓扑分析详解
变压器拓扑电网连接的单相光伏逆变器 Iván Patrao?, Emilio Figueres, Fran González-Espín, Gabriel Garcerá Grupo de SistemasElectrónicosIndustriales del Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, Spain 文章信息 文章历史：收到于2011年1月12日 接受于2011年3月21日 关键词：多电平逆变、无变压器逆变器、光伏逆变器、可再生能源 摘要 为了提高效率，降低光伏系统的成本，使用的变压器光伏逆变器是一种越来越大的替代趋势。然而，这种拓扑结构需要进一步研究，因为它提出了一些问题，有关电网和光伏发电机（如效率退化和安全问题）之间的电连接。 在本文中，着重介绍单相光伏风力发电并网逆变器，它基于已经推行的无变压拓扑结构。一方面，它是替代经典拓扑结构的基础上提出的。另一方面，研究显示，基于多层逆变器拓扑结构和经典的拓扑结构相比，没有漏电流产生。 2011爱思唯尔出版社有限公司版权所有 目录 1.前言 (3423) 2.共模电压问题 (3424) 3.桥拓扑功率变换器 (3425) 3.1.全H桥 (3425) 3.2.半H桥 (3425) 3.3.高效可靠的逆变器的概念(HERIC) (3426) 3.4.H5的拓扑 (3426) 3.5.带发电控制电路的半H桥(GCC) (3426) 4.基于多级拓扑的逆变器 (3427) 4.1.级联H桥(CHB) (3427) 4.2.中点钳位(NPC)半桥 (3427) 4.3.飞电容(FC) (3428) 4.4.电容分压器NPC半桥 (3428) 4.5.ConergyNPC (3428) 4.6.有源NPC(ANPC) (3429) 5. 无变压光伏逆变器基本特性 (3429) 6. 结论 (3429) 鸣谢 (3430) 参考文献 (3430)
基于DSP光伏并网逆变器的硬件电路设计
本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题目：基于DSP的光伏并网逆变器 硬件电路的设计 学生姓名： 学号： 专业：电气工程及其自动化 班级： 指导教师：
基于DSP的光伏并网逆变器硬件电路的设计 摘要 由于近年来不可再生能源的不断消耗，能源危机日益凸显，各国都在加紧开发新能源。太阳能发电作为一种全新的电能生产方式，具有清洁无污染、来源永不衰竭且维护措施简单等特点，因而受到越来越广泛的关注。本文针对太阳能应用的一个重要研究领域——光伏发电系统，尤其是小功率光伏并网发电系统，设计实现了基于DSP控制的单相光伏并网逆变器的硬件电路。 论文首先介绍了太阳能光伏并网的国内外发展现状，阐述了利用DSP控制光伏并网系统的基本原理。然后提出了以逆变器DC/AC变换技术为核心的单相光伏并网逆变器的硬件电路设计方案，并在Matlab软件上进行了仿真测试。最后对后续研究工作进行了展望，为进一步制作电路板及其调试提供了参考。 关键词：光伏并网；逆变器；数字信号处理器；Matlab仿真
PV Grid-Connected Inverter Hardware Circuit Design Based on DSP Abstract In recent years, with the continuous consumption of non-renewable energy, the energy crisis has become increasingly prominent, countries are stepping up the pace to develop new energy. Solar power, as a new energy production methods, owns many features, such as, clean, non-polluting, never failure of source and simple maintenance measures, and thus draws more and more attention. In this paper, as for an important research field of solar energy applications-photovoltaic systems, especially low-power photovoltaic power generation system, the hardware circuit of the DSP-based control of single phase photovoltaic grid-connected inverter is designed and implemented. The paper firstly described the development of solar photovoltaic grid in the world, and explained the basic principles of DSP controlled photovoltaic grid system. Then objective of the single-phase PV grid inverter with the core of DC / AC conversion technology inverter hardware circuit is designed and its simulation tests on the Matlab software is proceeded. Finally, the prospect of follow-up study provides a reference for the further production of circuit boards and their debugging. Key words: grid-connected photovoltaic; inverter; DSP; Matlab simulation
离网光伏系统设计说明书
离网光伏发电系统容量设计 一．任务目标 1.掌握容量设计的步骤和思路。 2.掌握光伏发电系统的容量设计方法。 3.了解光伏发电系统容量设计考虑的相关因素。 二．任务描述 光伏发电系统容量设计主要涉及蓄电池容量、蓄电池串并联数、光伏发电系统的发电量、光伏组件串并联数的计算。本实验报告主要以两种常见的计算方法为主。计算过程中需要注意不同容量单位之间的换算。 三．任务实施 1.容量设计的步骤及思路： 光伏发电系统容量设计的主要目的是计算出系统在全年能够可靠工作所需的太阳能电池组件和蓄电池的数量。主要步骤: 2.蓄电池容量和蓄电池组的设计： （1）基本计算方法及步骤 ①将负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的连续阴雨天数得到初步的蓄电池容量。阴雨天数的选择可参照如下：一般负载，如太阳能路灯等，可根据经验或需要在3-7选取，重要的负载。如通信、导航、医院救治等，在7-15选取。
②蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。一般情况下，浅循环型蓄电池选用50%的放电深度，深循环型蓄电池选用75%的放电深度。 ③综合①②得电池容量的基本公式为 最大放电深度连续阴雨天数 负载日平均用电量蓄电池容量?= 式中，电量的单位是h A ?，如果电量的单位是h W ?，先将h W ?折算为h A ?，折算关系如下： 系统工作电压 ）负载日平均用电量（负载平均用电量h W ?= （2）相关因素的考虑 上 ①放电率对蓄电池容量的影响。 蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，这样会对容量设计产生影响。计算光伏发电系统的实际平均放电率。 最大放电深度 连续阴雨天数负载工作时间）平均放电率（?=h 负载工作功率负载工作时间负载工作功率负载工作时间∑ ∑?= ②温度对蓄电池容量的影响。 蓄电池的实际容量会随着温度的变化而变化，当温度下降时，蓄电池的实际容量下降；温度升高时，蓄电池的实际容量略有升高。蓄电池的实际容量与温度的关系如图4-3所示曲线所示。
太阳能光伏逆变器拓扑结构及设计思路太阳能光伏逆变器拓扑结构及
太阳能光伏逆变器拓扑结构及设计思路 太阳能光伏逆变器拓扑结构及设计思路 1 引言 对于传统电力电子装置的设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。因为对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显[1]。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分(见图1)。 图1 欧洲效率计算比重 因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率。欧洲效率是一个新的参数，主要是针对光伏逆变器提出来的。由于太阳光在不同时间，强度是不一样的，所以光伏逆变器其实并不会一直工作在额定功率下，更多的是工作在轻负载的时候。所以衡量光伏逆变器的效率，不能完全以额定功率下的效率来衡量。所以欧洲人就想出来了一个新的参数–欧洲效率来衡量。欧洲效率的计算方法如表1。 欧洲效率的改善所带来的经济效益也很容易通过计算得到。例如以一个额定功率3kw的光伏逆变器为例，根据现在市场上的成本估算，光伏发电每千瓦安装成本大约需要4000欧元[2]，那也就意味着光伏逆变器每提高欧效1%就可以节 省120欧元(光伏发电现在的成本大概在每千瓦4000欧元，或者说每瓦4欧元，
包括太阳能电池和光伏逆变器，对于一个3kw的发电装置，如果逆变器效率提高了1%，也就是说多发了30w，那么成本就可以节省4×30=120欧元)。提高光伏逆变器的欧洲效率带来的经济效益是显而易见的，“不惜成本”追求更高的欧效也成为现在光伏逆变器发展的趋势。 2 功率器件的选型 在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素，igbt是最多被使用的器件。因为igbt导通压降的非线性特性使得igbt的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言，igbt的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时，igbt的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反，mosfet的导通压降是线性的，在轻载情况下具有更低的导通压降，而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力，mosfet成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提高欧效后的巨大经济回报，最新的比较昂贵的器件，如sic二极管，也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中，sic肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗，降低电磁干扰。 3 光伏逆变器的设计目标 对于无变压器式光伏逆变器，它的主要设计目标为： (1) 对太阳能电池输入电压进行最大功率点跟踪，从而得到最大的输入功率; (2) 追求光伏逆变器最大欧效; (3) 低的电磁干扰。 为了得到最大输入功率，电路必须具备根据不同太阳光条件自动调节输入电压的功能，最大功率点一般在开环电压的70%左右，当然这和具体使用的光伏电池的特性也有关。典型的电路是通过一个boost电路来实现。然后再通过逆变器把直流电逆变为可并网的正弦交流电。 4 单相无变压器式光伏逆变器拓扑介绍 拓扑结构的选择和光伏逆变器额定输出功率有关。对于4kw以下的光伏逆变器，通常选用直流母线不超过500v，单相输出的拓扑结构。 这个功能(见图2)可以通过以下的原理图实现(见图3)。
风力发电机逆变器综述
1 引言 DC／AC逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电。随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源的关键技术一逆变技术能将风能、蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。随着具有快速开关功能的大功率器件GTO、GTR的问世，高速．多位微机的发展，脉宽调制(PWM)技术已成为目前中，小功率交流垫丕笾自勺主要方向。采用PWM技术的逆变器来控制电机的电压和频率阮成的系统，其运行特性很大程度上要受控制所选用的调制方法的影响。在器件允许的开关频率下，逆变器开关方式选择得合适，就能有效地消除波形失真、尖峰电流、转矩脉动，避免电矾带负载工作时发生振动和过热现象。在调制过程中频率和电压配合得好，调节速度快，能够提高系统的解耦控制效果，改善系统的动态性能。交流伺服系统要求PWM 逆变器低频性能优良。而一般风机调速系统要求PWM逆变器的实现可靠、简单．因此工程上评价PWM技术属于一种综合性指标。 国内在大功率涌速系统方面已做了不少研究工作，目前研究应用比较成熟的有晶闸管直流电机调速，晶闸管交交变频调速，降压普通变频一升压的晶闸管变频装置等这些装置不但结构复杂，而且大多采用SCR或GTO作为开关元件．由于开关频率只有几百Hz，引起电机电流、转矩的脉动．动态性能差等问题一此外，此类系统网侧谐波较大．对电网污染严重．尚需附加电网滤波装置．使得系统成本增加加上近年来国外产品的冲击．国产大功率逆变器发展前景不容乐观。因此，研究大功率的高性能变频器对于能源利用和我国的工业节能具有重要意义。 2 低频环节逆变技术 传统的DC／AC逆变器采用低频环节逆变技术，主要有方波逆变器、阶梯波合成逆变器、正弦脉宽调制SPWM 逆变器。 2．1 方波逆变器 方波逆变器主要有推挽式、全桥式电路结构。 推挽式方波逆变器由推挽逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成，如图1(a)所示。推挽式方波逆变器主要是通过调节逆变器输出电压脉宽来实现调压功能的。一种调压方法是调
光伏并网逆变器硬件设计以及拓扑结构
光伏并网逆变器及其拓扑结构的设计 对于传统电力电子装置的设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。但是对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。因为对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显。欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分。因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率(图1)。 图1: 欧洲效率计算比重 1、功率器件的选型 在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素，IGBT是最多被使用的器件。因为IGBT 导通压降的非线性特性使得IGBT的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加。从而保证了逆变器在最大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是对于光伏逆变器而言，IGBT的这个特性反而成为了缺点。因为欧洲效率主要和逆变器不同轻载情况下效率的有关。在轻载时，IGBT的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的欧洲效率。相反，MOSFET的导通压降是线性的，在轻载情况下具有更低的导通压降，而且考虑到它非常卓越的动态特性和高频工作能力，MOSFET成为了光伏逆变器的首选。另外考虑到提高欧效后的巨大经济回报，最新的比较昂贵的器件，如SiC二极管，也正在越来越多的被应用在光伏逆变器的设计中，SiC肖特基二极管可以显著降低开关管的导通损耗，降低电磁干扰。 为了得到最大输入功率，电路必须具备根据不同太阳光条件自动调节输入电压的功能，最大功率点一般在开环电压的70%左右，当然这和具体使用的光伏电池的特性也有关。典型的电路是通过一个boost电路来实现。然后再通过逆变器把直流电逆变为可并网的正弦交流电。 2、单相无变压器式光伏逆变器拓扑结构的设计： 拓扑结构的选择和光伏逆变器额定输出功率有关。对于4kw以下的光伏逆变器，通常选用直流母线不超过500V，单相输出的拓扑结构，如图2所示：
太阳能逆变器开发思路和方案.pdf
内容摘要：摘要：针对光伏并网发电系统中关键部件——逆变器的结构设计与控制方法研究进行了详细分析和阐述。从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。对于目前国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。 摘要：针对光伏并网发电系统中关键部件——逆变器的结构设计与控制方法研究进行了详细分析和阐述。从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。对于目前国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟 待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。 关键词：光伏并网发电系统；逆变器；拓扑结构；最大功率点跟踪；孤岛效应 O 引言 由于传统能源的枯竭和人们对环境的重视，电力系统正面临着巨大变革，分布式发电将成为未来电力系统的发展方向。其中，光伏发电以其独特的优点，被公认为技术含量高、最有发展前途的技术之一 。但是光伏发电系统存在着初期投资大、成本较高等缺点，因而探索高性能、低造价的新型光电转换材料与器件是其主要研究方向之一。另一方面，进一步减少光伏发电系统自身损耗、提高运行效率，也是降低其发电成本的一个重要途径。逆变器效率的高低不仅影响其自身损耗，还影响到光电转换器件以及系统其他设备的容量选择与合理配置。 因此，逆变器已成为影响光伏并网发电系统经济可靠运行的关键因素，研究其结构与控制方法对于提高系统发电效率、降低成本具有极其重要的意义[5] 。 本文从电网、光伏阵列以及用户对于并网逆变器的要求出发，分析了不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较了其运行效率和控制效果。对于目前 国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟 待解决的技术问题进行了综合，进一步指出了光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。 1 光伏发电系统对逆变器的要求 光伏并网发电系统一般由光伏阵列、逆变器和 控制器3 部分组成。逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，它完成控制光伏阵列最大功率点运行 和向电网注入正弦电流两大主要任务。 1 ．1 电网对逆变器的要求 逆变器要与电网相连，必须满足电网电能质量、 防止孤岛效应和安全隔离接地 3 个要求。 为了避免光伏并网发电系统对公共电网的污染，逆变器应输出失真度小的正弦波。影响波形
光伏并网逆变器拓扑结构分析与性能比较
第21卷第1期苏州市职业大学学报V ol.21,No.1 2010年3月Journal of Suzhou V ocational University Mar., 2010 光伏并网逆变器拓扑结构分析与性能比较 余运江1，李武华2，邓?焰2，臧?曙1 (1.镇江船艇学院?工程系，江苏?镇江 212003；2.浙江大学?电力电子技术研究所，浙江?杭州 310027） 摘?要：太阳能并网发电技术日益成为研究热点,并网逆变器作为光伏阵列与电网的接口设备,其拓扑结构决定着整个光伏并网发电系统的效率和成本,是影响系统经济可靠运行的关键因素.在简要介绍光伏并网逆变器常用拓扑方案基础上,重点分析了其有代表性拓扑结构的特点、效率及适用场所,并给出了并网逆变器拓扑结构未来可能的发展趋势. 关键词：光伏;?并网逆变器;?拓扑结构 中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：1008-5475(2010)01-0013-06 Compare and Analysis on Topologies of Inverters for a Grid-connected Photovoltaic Power System YU Yun-jiang1，LI Wu-hua2，DENG Yan2，ZANG Shu1 (1.Department of Engineering, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003, China； 2.Power Electronics Research Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: Photovoltaic (PV) grid-connected power system is becoming a hot research area. As the interconnection of the PV arrays and the power grid, the topology structure of the grid-connected inverter is very important. Because it determines the system efficiency, cost and reliability. The art-of-the-state topologies for grid-connected power system was classified and introduced. Furthermore, the performance, the efficiency and the applications of the main grid-connected inverters were analyzed. At last, the future trend of the grid-connected inverters were given and summarized. Key words:photovoltaic; grid-connected inverter; topology structure 光伏并网发电作为太阳能利用的主要形式之一,倍受广大科研人员的关注[1].寻求高性能、低造价的光伏材料和器件减小光伏发电系统的自身损耗是其研究热点之一.在光伏并网发电系统中,逆变器作为光伏阵列与电网的接口设备,其拓扑结构决定着整个系统的效率和成本,是影响系统经济可靠运行的关键因素.由于光伏并网逆变器的结构拓扑种类众多、性能特点各异,其原理分析和性能比较,对于拓扑结构的合理选择、提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义. 1 光伏并网逆变器常用拓扑方案 光伏并网逆变器的具体电路拓扑众多,一般可按照有无变压器分类,也可根据功率变换的级数来进 收稿日期：2009-05-15；修回日期：2009-06-25 作者简介：余运江(1972-),男,河南商丘人,讲师,硕士,主要从事光伏并网发电技术研究;?李武华(1979-),男,湖南郴州人,讲师,博士,主要从事新能源并网发电开发与应用技术研究;?邓?焰(1973-),男,四川宜宾人,副教授,博士,主要从事电力电子技术、开关功率变换相关理论、技术研究;?臧?曙(1961-),男,湖南长沙人,教授,主要从事电气工程研究.